WO2020052923A1 - Kapazitiver türgriffsensor mit einer antenne zur nahfeldkommunikation - Google Patents

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    • H03K2217/94084—Transmission of parameters among sensors or between sensor and remote station
    • H03K2217/94089—Wireless transmission

Definitions

  • the invention relates to a capacitive sensor with a capacitive sensor electrode and an antenna which surrounds the capacitive sensor electrode or which is arranged in the immediate vicinity thereof and is suitable for near field communication (NFC), and its antenna
  • Control elements accessible to the user are increasingly being equipped with intelligent functions, particularly in the automotive sector. This is especially true for the
  • NFC Near field communication
  • Bluetooth or other systems in the same place, which enables additional functionalities such as the use of virtual car keys in the form of a password stored on the smartphone.
  • the capacitive sensors are to be used in addition to a wireless communication system, e.g. NFC, can be accommodated in the same housing.
  • the NFC antenna which is usually in the form of an inexpensive, multi-turn conductor loop, works best when there is as little metal surface in the magnetic field as possible, which impedes field propagation.
  • metal surfaces are essential due to the sensor electrodes of the capacitive sensor system.
  • the capacitive sensor electrode in turn, can build up the required electrical field much worse if, for example, a surrounding ground surface is present in the direct vicinity of the electrode, which concentrates the field line course at very small distances. If, for example, an NFC antenna surrounds the capacitive electrode in a ring, this has a similar effect to one for the capacitive sensor
  • a door handle arrangement for a motor vehicle is known from DE 10 2013 102 701 A1, in which the NFC antenna is used by means of electronic switches either in NFC mode for near-field communication or as a capacitive sensor electrode.
  • a disadvantage is the additional circuitry for the switching device, which can also cause additional resonant circuit damping, detuning and voltage limitation in NFC operation.
  • DE 101 63 778 A1 proposes an arrangement in which the switching device is dispensed with, but without avoiding the capacitive load on the sensor electrode caused by the coupling circuit of the antenna, which is extremely unfavorable for the capacitive sensor.
  • a combination of an NFC system and a capacitive proximity sensor in which the NFC antenna is used in two different operating modes.
  • the proximity sensor is coupled to a connection of the antenna and then used as a capacitive sensor electrode.
  • the NFC antenna represents an "open end" for the capacitive sensor and a "closed end” for the NFC mode.
  • the capacitive load on the NFC coupling circuit is also disadvantageous for the sensor.
  • DE 10 2014 218 213 A1 discloses a communication device for a keyless vehicle access, in which the operating parameters of the antenna are evaluated, the antenna itself serving as a sensor. Since the antenna is usually designed as an inductive component, essentially only changes in the inductance can be evaluated, which can be influenced by metal objects, but which is unsuitable for the detection of human body parts.
  • EP 1 795 860 B1 discloses a combined system in a vehicle handle, in which the antenna coil for data communication is simultaneously connected at one end to a capacitive sensor system, the antenna coil being coupled via a parasitic capacitance to an electrically conductive core, which acts as an extended sensor electrode serves.
  • the relatively large capacity of the coupling network is disadvantageous for NFC applications.
  • a sensor arrangement with a capacitive sensor device and a near-field transmission device is known, a turn 22 of a near-field transmission coil 21 rotating on a single-layer printed circuit board 30, which is coupled to control electronics 40.
  • a sensor electrode 1 1 is coupled, which has a central conductor 1 1.2 and a plurality Branch conductors 1 1.1, wherein, if the capacitive sensor device is configured for capacitive detection, a potential deviating from a ground potential is then applied for cooperative control of the near-field transmission coil.
  • the object of the invention is seen to significantly improve the function of the capacitive sensor system in confined spaces, for example in a (motor vehicle) door handle, that is to say to increase the sensory sensitivity without impairing the function of the NFC system.
  • Claim 2 relates to an advantageous embodiment and the independent claim 3 to its intended
  • the center tap of the NFC antenna is proposed as
  • the main advantage is that the previously disruptive NFC antenna now acts as an auxiliary electrode. It displaces the electrical field lines in the edge areas of the sensor electrode 2, so that they now pass through a larger area and the hand of a user can be detected at a greater distance when trying to access.
  • Fig. 1 shows the prior art
  • Fig. 2 shows the arrangement according to the invention
  • FIG. 1 schematically shows a combined system with a capacitive sensor 1 and an NFC antenna 3 enclosing the capacitive sensor electrode 2, which in turn is connected to an NFC IC via an EMC filter 7 via a common coupling network 5 known from the relevant literature 6 is connected, which works in a symmetrical operating mode because of the efficient use of energy.
  • the capacitive sensor electrode 2 is severely restricted in its function by the enclosing NFC antenna 3, since this is the electrical structure built up by the electrode 2 Shielded field and restricted to very small distances. This is often no longer sufficient for a convenient operating function.
  • the center tap 4 of the NFC antenna 3 is used as a feed point for an auxiliary signal that is synchronized with the measurement signal of the sensor electrode 2, so that the metal surface of the NFC antenna 3 becomes an actively driven shield electrode, which no longer hinders field propagation , but additionally supported.
  • the capacitive sensor electrode is advantageous as an open grid structure without a closed one
  • the center tap of the NFC antenna 4 is usually not used at all, and otherwise does not lead to NFC radio frequency in the case of symmetrical NFC transmission operation, since the two electrical halves of the symmetrically operated NFC antenna represent two partial inductors and carry an antiphase voltage. Therefore, this point 4 can either be grounded or can remain unconnected.
  • any other impedance that is effective in common mode can also be set at this point without changing the operating parameters of the antenna for symmetrical NFC operation. This property naturally assumes the symmetrical operation of the antenna and the presence of a center tap.
  • this point (4) is acted upon by an auxiliary signal which is useful for the function of the capacitive sensor and which is synchronized with the actual measurement signal on the sensor electrode.
  • this auxiliary signal is of no importance for the function of the NFC system, since the high-frequency voltage is zero at this point in NFC operation.
  • R and C can therefore take on useful values for the operation of the auxiliary electrode without influencing the adaptation network 5 in the NFC function. In this way, the desired slope of the synchronous auxiliary signal, which is not necessarily identical to the sensor signal, can be set.
  • the capacitive sensor electrode 2 and the NFC antenna 3 can also be arranged in close proximity to one another without departing from the inventive concept.
  • Reference list

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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)
  • Lock And Its Accessories (AREA)

Abstract

Kapazitiver Sensor (1) mit einer kapazitiven Sensorelektrode (2) und einer die kapazitive Sensorelektrode (2) umschließende, oder in deren unmittelbarer Nähe angeordneten, zur Nahfeldkommunikation (NFC) geeigneten Antenne (3), die eine Mittelanzapfung (4) aufweist, und über ein Anpassungsnetzwerk (5) mit einem symmetrisch betriebenen NFC-Transceiver (6) verbunden ist, wobei die Mittelanzapfung (4) der NFC-Antenne (3) erfindungsgemäß mit einem mit dem Messsignal des kapazitiven Sensors (1) synchronisierten Hilfssignal beaufschlagt wird.

Description

Kapazitiver Türgriffsensor mit einer Antenne zur Nahfeldkommunikation
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit einer kapazitiven Sensorelektrode und einer die kapazitive Sensorelektrode umschließende oder in deren unmittelbarer Nähe angeordnete, zur Nahfeldkommunikation (NFC) geeigneten Antenne, sowie dessen
Verwendung in einem Türgriff für ein Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeordneten
Patentanspruch 3.
Für den Benutzer zugängliche Bedienelemente werden insbesondere im Automobilbereich zunehmend mit intelligenten Funktionen ausgestattet. Das gilt besonders für die
Zugangserkennung, wo kapazitive Sensoren in Türgriffen oder bedienbaren Zonen an Heck- oder Frontklappen eingebaut werden, um Zugangsversuche des Benutzers zu erkennen. Darüber hinaus finden drahtlose Identifikationseinrichtungen wie zum Beispiel
Nahfeldkommunikation (NFC), Bluetooth oder andere Systeme an der gleichen Stelle Platz, was zusätzliche Funktionalitäten wie die Verwendung virtueller Autoschlüssel in Form eines auf dem Smartphone gespeicherten Passwortes ermöglicht.
Das stellt wiederum zusätzliche Anforderungen an die kapazitive Sensorik, weil sich hier besonders die Verwendung derselben konstruktiven Elemente, wie z.B. Türgriffe anbietet. Dabei soll die kapazitive Sensorik zusätzlich zu einem drahtlosen Kommunikationssystem, wie z.B. NFC, im selben Gehäuse untergebracht werden.
Dies bedeutet bei den sehr beengten Platzverhältnissen oftmals Kompromisse in der Funktionalität des kapazitiven Sensorsystems, weil ein Teil des normalerweise für die einwandfreie Funktion eines kapazitiven Sensors erforderliche Freiraumes nun durch die NFC-Antenne belegt ist, die ihrerseits für eine bestmögliche Funktion die gleiche räumliche Ausdehnung beansprucht. Beide Systeme behindern sich gegenseitig in den sensorischen Eigenschaften.
Die NFC-Antenne, die meistens in Form einer kostengünstigen, aus mehreren Windungen bestehenden Leiterschleife vorliegt, funktioniert am besten, wenn sich möglichst wenig Metallfläche im Magnetfeld befindet, welches die Feldausbreitung behindert. Metallflächen sind jedoch durch die Sensorelektroden des kapazitiven Sensorsystems unerlässlich.
Die kapazitive Sensorelektrode wiederum kann das erforderliche elektrische Feld wesentlich schlechter aufbauen, wenn in direkter Umgebung der Elektrode beispielsweise eine umschließende Massefläche vorhanden ist, welche den Feldlinienverlauf auf sehr kleine Abstände konzentriert. Wenn beispielsweise eine NFC-Antenne die kapazitive Elektrode ringförmig umschließt, dann wirkt dies für den kapazitiven Sensor ähnlich wie eine
Massefläche, welche die Ausbreitung der elektrischen Feldlinien wesentlich behindert. Aus der DE 10 2013 102 701 A1 ist eine Türgriffanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der die NFC-Antenne mittels elektronischer Umschalter wahlweise im NFC-Betrieb zur Nahfeldkommunikation, oder als kapazitive Sensorelektrode genutzt wird. Nachteilig ist der zusätzliche Schaltungsaufwand für die Umschalteinrichtung, die außerdem im NFC-Betrieb eine zusätzliche Schwingkreisdämpfung, Verstimmung und Spannungsbegrenzung verursachen kann.
Die DE 101 63 778 A1 schlägt eine Anordnung vor, bei der zwar auf die Umschalteinrichtung verzichtet wird, ohne jedoch die von der Ankoppelschaltung der Antenne hervorgerufene kapazitive Belastung der Sensorelektrode zu vermeiden, was für den kapazitiven Sensor aber äußerst ungünstig ist.
Aus der WO 2013 137 892 A1 ist eine Kombination aus NFC-System und kapazitivem Näherungssensor bekannt, bei der die NFC-Antenne in zwei verschiedenen Betriebsarten benutzt wird. Der Näherungssensor wird an einen Anschluss der Antenne angekoppelt und dann als kapazitive Sensorelektrode benutzt. Die NFC-Antenne stellt für den kapazitiven Sensor ein„offenes Ende“, und für die NFC-Betriebsart ein„geschlossenes Ende“ dar. Die kapazitive Belastung der NFC-Ankoppelschaltung ist auch hier nachteilig für den Sensor.
Aus der DE 10 2014 218 213 A1 ist ein Kommunikationsgerät für einen schlüssellosen Fahrzeugzugang bekannt, bei der die Betriebsparameter der Antenne ausgewertet werden, wobei die Antenne selbst als Sensor dient. Da die Antenne in der Regel als induktives Bauelement ausgeführt ist, können im Wesentlichen auch nur Änderungen der Induktivität ausgewertet werden, die durch Metallgegenstände beeinflussbar ist, aber für die Erfassung menschlicher Körperteile ungeeignet ist.
Die EP 1 795 860 B1 offenbart ein kombiniertes System in einem Fahrzeuggriff, bei dem die Antennenspule zur Datenkommunikation gleichzeitig an einem Ende mit einem kapazitiven Sensorsystem verbunden ist, wobei die Antennenspule über eine parasitäre Kapazität an einen elektrisch leitfähigen Kern angekoppelt ist, der als verlängerte Sensorelektrode dient. Die relativ große Kapazität des Ankoppelnetzwerkes ist nachteilig für NFC-Anwendungen.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2018 106 771 A1 ist eine Sensoranordnung mit einer kapazitiven Sensorvorrichtung und einer Nahfeld-Übertragungsvorrichtung bekannt, wobei auf einer einschichtigen Leiterplatte 30 eine Windung 22 einer Nahfeld-Übertragungsspule 21 umläuft, die mit einer Steuerelektronik 40 gekoppelt ist. Mit dieser Steuerelektronik 40 ist auch eine Sensorelektrode 1 1 gekoppelt, die einen Mittelleiter 1 1.2 und eine Vielzahl an Abzweigleitern 1 1.1 aufweist, wobei, wenn die kapazitive Sensorvorrichtung zur kapazitiven Erfassung konfiguriert ist, für eine kooperative Ansteuerung der Nahfeld-Übertragungsspule dann auf ein von einem Massepotential abweichendes Potential gelegt wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, die Funktion des kapazitiven Sensorsystems bei beengten Platzverhältnissen, beispielsweise in einem (Kfz-)Türgriff, wesentlich zu verbessern, das heißt, die sensorische Empfindlichkeit zu erhöhen, ohne die Funktion des NFC-Systems zu beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird mit dem Patentanspruch 1 gelöst. Anspruch 2 betrifft eine vorteilhafte Ausgestaltung und der nebengeordnete Anspruch 3 dessen bestimmungsgemäße
Verwendung in einem (Kfz-) Türgriff.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Mittelanzapfung der NFC-Antenne als
Einspeisepunkt für ein Hilfssignal zu verwenden, welches mit dem Messsignal der kapazitiven Sensorelektrode synchronisiert ist, so dass für das kapazitive Sensorsystem die Metallfläche der NFC-Antenne zu einer aktiv angetriebenen Schirmelektrode wird, die nun die Feldausbreitung nicht mehr behindert, sondern unterstützt.
Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass die bislang störende NFC-Antenne nun als Hilfselektrode wirkt. Sie verdrängt die elektrischen Feldlinien in den Randbereichen der Sensorelektrode 2, so dass diese nun einen räumlich größeren Bereich durchlaufen, und die Hand eines Benutzers beim Zugangsversuch auf größere Distanz erfasst werden kann.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt den Stand der Technik
Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung
Die Fig. 1 zeigt schematisch ein kombiniertes System mit einem kapazitivem Sensor 1 und einer die kapazitive Sensorelektrode 2 umschließende NFC-Antenne 3, die ihrerseits über ein aus der einschlägigen Literatur bekanntes, übliches Ankoppelnetzwerk 5 mit einem EMV- Filter 7 an ein NFC-IC 6 angeschlossen ist, welches wegen des effizienten Energieeinsatzes in einer symmetrischen Betriebsart arbeitet.
Die kapazitive Sensorelektrode 2 wird in ihrer Funktion durch die umschließende NFC- Antenne 3 stark eingeschränkt, da diese das durch die Elektrode 2 aufgebaute elektrische Feld abschirmt und auf sehr kleine Abstände einschränkt. Das reicht für eine komfortable Bedienfunktion oft nicht mehr aus.
Die Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung. Hier wird die Mittelanzapfung 4 der NFC-Antenne 3 als Einspeisepunkt für ein Hilfssignal verwendet, das mit dem Messsignal der Sensorelektrode 2 synchronisiert ist, so dass die Metallfläche der NFC-Antenne 3 zu einer aktiv angetriebenen Schirmelektrode wird, welche nun die Feldausbreitung nicht mehr behindert, sondern zusätzlich unterstützt. Zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten ist die kapazitive Sensorelektrode vorteilhaft als offene Gitterstruktur ohne geschlossene
Leiterschleifen ausgestaltet.
Der Mittelabgriff der NFC-Antenne 4 wird meistens überhaupt nicht verwendet, und führt im Übrigen bei symmetrischem NFC-Sendebetrieb keine NFC-Hochfrequenz, da die beiden elektrischen Hälften der symmetrisch betriebenen NFC-Antenne zwei Teil-Induktivitäten darstellen und eine gegenphasige Spannung führen. Deshalb kann dieser Punkt 4 wahlweise geerdet werden oder auch unbeschaltet bleiben.
Somit kann an diesem Punkt auch jede andere im Gleichtaktbetrieb wirksame Impedanz eingestellt werden, ohne für den symmetrischen NFC-Betrieb die Betriebsparameter der Antenne zu verändern. Diese Eigenschaft setzt natürlich den symmetrischen Betrieb der Antenne und das Vorhandensein eines Mittelabgriffs voraus.
Erfindungsgemäß wird dieser Punkt (4) mit einem für die Funktion des kapazitiven Sensors nützlichen Hilfssignal beaufschlagt, welches mit dem eigentlichen Messsignal auf der Sensorelektrode synchronisiert ist. Bei vielen marktüblichen kapazitiven Sensorsystemen ist es ohne wesentlichen Zusatzaufwand möglich, dieses Hilfssignal als digitales Schaltsignal eines Gatters oder Mikrocontrollers zu diesem Zweck abzugreifen. Die angeschlossene Impedanz, die aus einem Widerstand R, einer Kapazität C und der Ausgangsimpedanz der kapazitiven Ansteuerschaltung gebildet wird, hat für die Funktion des NFC-Systems keine Bedeutung, da im NFC-Betrieb die Hochfrequenz-Spannung an diesem Punkt ohnehin Null ist. R und C können also für den Betrieb der Hilfselektrode sinnvolle Werte annehmen, ohne das Anpassungsnetzwerk 5 in der NFC-Funktion zu beeinflussen. So kann die gewünschte Flankensteilheit des synchronen, aber nicht unbedingt mit dem Sensorsignal identischen Hilfssignals eingestellt werden.
Ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen, können die kapazitive Sensorelektrode 2 und die NFC- Antenne 3 auch in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sein. Bezugszeichenliste
1 Kapazitiver Sensor
2 Kapazitive Sensorelektrode
3 NFC- Antenne
4 Mittelanzapfung der NFC-Antenne
5 Anpassungsnetzwerk zwischen Antenne 3und dem NFC-Transceiver 6
6 Zur Nahfeldkommunikation geeigneter, symmetrisch betriebener Transceiver
7 EMC-Filter
C Anpassungskondensator
R Anpassungswiderstand

Claims

Ansprüche
1. Kapazitiver Sensor (1 ) mit einer kapazitiven Sensorelektrode (2) und einer die kapazitive Sensorelektrode (2) umschließende oder in deren unmittelbarer Nähe angeordneten, zur Nahfeldkommunikation (NFC) geeigneten Antenne (3), die eine Mittelanzapfung (4) aufweist, und über ein Anpassungsnetzwerk (5) mit einem symmetrisch betriebenen NFC-Transceiver (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelanzapfung (4) der NFC-Antenne (3) mit einem mit dem Messsignal des kapazitiven Sensors (1 ) synchronisierten Hilfssignal beaufschlagt wird.
2. Kapazitiver Sensor (1 ) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Sensorelektrode (2) zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten als offene Gitterstruktur ausgestaltet ist.
3. Verwendung eines kapazitiven Sensors (1 ) gemäß Anspruch 1 oder 2 in einem Türgriff.
4. Verwendung eines kapazitiven Sensors (1 ) gemäß Anspruch 1 oder 2 in einem
Bedienelement zum Öffnen oder Schließen einer Tür, Haube oder Klappe an einem
Fahrzeug.
5. Verwendung gemäß Anspruch 4 in einem Bedienelement zum Öffnen oder Schließen einer Tür, Haube oder Klappe an einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Bedienelement Teil eines schlüssellosen Zugangssystems ist.
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